天體與地球第一章宇宙.ppt

第一節(jié) 宇宙 一、宇宙的基本概念 二、相對論宇宙時、空觀 三、微觀世界的基本法則 四、宇宙物質(zhì)世界的基本特征 第二節(jié) 大爆炸宇宙學(xué) 一、大爆炸學(xué)說思想體系的形成 二、宇宙最早期演化 三、大爆炸的證據(jù) 第三節(jié) 宇宙的未來和暗物質(zhì)、反物質(zhì) 一、弗里德曼宇宙模型 二、暗物質(zhì)、反物質(zhì),第一章 大爆炸宇宙學(xué),第一節(jié) 宇宙 一、宇宙的基本概念 1、科學(xué)的宇宙概念客觀性 中國戰(zhàn)國魯人: 四方上下曰宇空間 往古來今曰宙時間 現(xiàn)代科學(xué)的宇宙定義：宇宙是廣漠空間 和其中存在的各種天體及彌漫物質(zhì)的總稱。 時 間 宇宙是 空 間 的最大范疇 物 質(zhì),2.可觀測宇宙的概念相對性 人類對宇宙的認識： 古代宇宙觀地心說 近代宇宙觀日心體系 銀河系宇宙 現(xiàn)代宇宙觀總星系（可觀測宇宙） 由哈勃半徑（150億光年）的數(shù)倍為度量 宇宙的范圍: 數(shù)百億光年,哈 勃 太 空 望 遠 鏡,天 體 與 地 球,人 類 認 識 宏 觀 物 質(zhì) 世 界 的 尺 度,人 類 認 識 宏 觀 物 質(zhì) 世 界 的 尺 度,人類認識微觀物質(zhì)世界的尺度,3兩類宇宙模型 穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型 宇宙的平均性質(zhì)處處相同，并且永遠 不會隨時間變化。在該學(xué)說中，為了在宇 宙膨脹時保持宇宙的密度不變，必須不斷 地創(chuàng)生物質(zhì)。 創(chuàng)始人：邦迪、戈爾德、霍伊爾 演化態(tài)宇宙模型 宇宙體積、密度、溫度、壓力隨時間而 變化。宇宙有一個開始，也可能有結(jié)束。 代表理論：大爆炸宇宙學(xué),二、現(xiàn)代宇宙時、空觀（相對論宇宙時、空觀） -從牛頓到愛因斯坦 坡普(1726,威斯特敏斯特大教堂牛頓墓志銘): 大自然 和它的規(guī)律深藏在黑夜里. 上帝說, 讓牛頓出世吧! 于是一切就都在光明之中. 斯夸爾爵士(1920th): 光明不再繼續(xù)了: 惡魔在高聲地嚎叫; 讓愛因斯坦出世吧, 使世界重現(xiàn)光明.,二、現(xiàn)代宇宙時、空觀 （相對論宇宙時、空觀） 1. 牛頓經(jīng)典力學(xué)的時、空觀 （1）牛頓的空間概念 是日常經(jīng)驗的空間，有三維 南-北 東-西 上-下 是絕對的空間，人類、太陽、行星和恒星共同擁有的空 間， 空間的坐標是不變的、絕對的。,（2）牛頓的時間概念 是日常經(jīng)驗的時間，人類、太陽、行星和恒星共同經(jīng)歷著時間的流逝。是絕對的時間，時間的坐標不變。 牛頓1687年自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 “絕對的、真實的數(shù)學(xué)時間，就其自身及其本質(zhì)而言，是永遠均勻流動的，它不依賴于任何外界事物?！?牛頓時、空觀的本質(zhì)： 割裂了時間、空間和物質(zhì)的聯(lián)系； 僅適用于地球及其周圍的有限區(qū)域。,2相對論宇宙時、空觀 時間-空間-物質(zhì)的三角關(guān)系： 時間用空間和物質(zhì)運動來測量； 物質(zhì)運動用時間和空間來測量； 空間用物質(zhì)運動和時間來測量。 運動的相對性-從牛頓-伽里略 相對論到愛因斯坦狹義相對論： 運動物體的測量參照系, 時間的相對性廣義相對論 A.時間隨物質(zhì)運動而變化 時鐘矛盾：不同速度運動的物體上的 時鐘相互矛盾。 相對論時間公式（時鐘變慢）：,例如：相對于地球以0.98倍光速 運行的飛船，內(nèi)部時鐘僅為地面時鐘 的15： 雙生子佯謬（悖論）,雙生子佯謬（悖論）,B.時間隨物質(zhì)引力而變化 運動物體在中心物體的引力場中運動時， 對于同一經(jīng)歷過程，在運動物體上測得 時間間隔，要比在中心物體上的測定值大。 偏大的數(shù)值： 地球上的原子鐘（銫原子鐘） 每升高100m，快百萬億分之一秒。,銫 原 子 鐘,互聯(lián)網(wǎng)時, 空間的相對性廣義相對論 A.空間坐標的平直：僅適用于地球 （天體）表面有限的局部 B.空間坐標的彎曲：在大尺度的宇宙 空間內(nèi)，空間坐標的彎曲是絕對的?？?間隨物質(zhì)引力而變化，即空間被引力所 彎曲引力透鏡。,大質(zhì)量天體與時空彎曲,重力不僅改變空間,也改變時間,時空彎曲與引力透鏡,光不再以直線行進,“卡西尼號”進入土星彎曲的時空,時空彎曲,引力透鏡,宇宙中的海市蜃樓,引力透鏡與愛因斯坦十字星,運行中的Machos,相對論宇宙時、空觀的基本認識： 時間、空間與物質(zhì)密不可分，時間、空間隨物質(zhì)的運動而變化 在宇宙大尺度范疇內(nèi)， 時間、空間坐標的彎曲（扭曲）是絕對的、普遍的, 而其坐標的平直則是相對的、局部的。 時、空彎曲 時間、空間坐標系統(tǒng)：平面幾何黎曼幾何,廣義相對論的基本內(nèi)容：三維空間和 一維時間構(gòu)成四維時空連續(xù)統(tǒng)；物理事件 由四維時空連續(xù)統(tǒng)中的點表示；四維時空 連續(xù)統(tǒng)的幾何性質(zhì)由四維黎曼幾何描述。 空間的度規(guī)張量和曲率可通過引力場程， 由物質(zhì)的能量-動量張量決定。 引力場方程： R12gR-8GT R為里齊張量； R為標量曲率； g為度規(guī)張量； T為能量-動量張量； G為引力常數(shù)。,廣義相對論的驗證： 水星近日點的軌道反常進動。水星是 最近太陽的行星，它的橢圓軌道并不回到 同一起點，觀測近日點每百年進動5601“， 用牛頓力學(xué)只能解釋5558“，還差43“.11， 用廣義相對論計算的反常進動為43“.03。 金星、地球也有近日點的反常進動。 光線偏轉(zhuǎn)。廣義相對論預(yù)言，當(dāng)光線 經(jīng)過太陽引力場后，其方向要發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 1919年日食期間的觀測證實了太陽引力造 成了星光彎曲。,廣 義 相 對 論 的 驗 證,廣義相對論的驗證,GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),物質(zhì)的引力使時間發(fā)生變化,我們無緣一睹的風(fēng)景,引力紅移。廣義相對論預(yù)言，從太陽 表面發(fā)出的譜線與地球上同種原子的譜線 相比，波長較長（紅移），移動量等于速 度為0.6千米/秒的多普勒效應(yīng)移動量。 1960th觀測結(jié)果是： 觀測值（1.050.05）理論值。 雷達回波的延遲。廣義相對論預(yù)言， 當(dāng)從地球向地內(nèi)行星發(fā)射雷達信號并接收 其回波時，如果雷達波在太陽附近通過， 則回波的時間要比不在太陽附近通過時有 所延遲。對水星、金星和“水手”6、7號 探測器的觀測結(jié)果均與理論值相符。,宇宙的曲率：在一個閉合的宇宙里， 宇宙自我合攏。這是由于物質(zhì)密度很大， 空間軌道繪成一個圓。 即有限、無界的宇宙 愛因斯坦:“我們或許生活在一個有限、 無界的宇宙中.”,閉合的宇宙,三、微觀物質(zhì)世界的基本法則 -量子力學(xué)的基本原理 1波粒二象性 1905年，愛因斯坦提出“光電效應(yīng)”，即 波動的光，是由粒子“光量子”（光子） 構(gòu)成。光子的能量與頻率成正比： Eh h為普朗克常數(shù) 1923年法國德布羅意提出：所有物質(zhì)都 具有“物質(zhì)波”，即“波粒二象性”。 波動的意義：電子存在（到達）某個部 位，是電子“存在于該處的比率”。,H 電子云,2. 測不準原理 1930th, 海森堡和薛定諤提出：微觀 世界中, 不可能同時對基本粒子 (如電子) 的位置和動量進行精確測定。 例如，觀測粒子時，用能量小的光照 射，Eh, 光的頻率很低, 波長很長， 粒子的位置不可能測準； 反之，若為了精確測位而減少波長而 增加能量時，粒子的動量將發(fā)生變化。,測 不 準,測 不 準,對“波粒二象性”和“測不準原理”的評論： 愛因斯坦：“上帝是不擲骰子的” 霍金：“上帝不光擲骰子，還常常 把骰子擲到你看不見的地方去”,用概率來解釋-薛定諤之貓,3. 隧道效應(yīng) 根據(jù)“測不準原理”，在量子力學(xué)范疇內(nèi), 提供了極短時間內(nèi)能量變動的可能性：電子可以在極短時間內(nèi)“借來”能量，遷移到它原來無法到達的地方。即電子可以穿透壁壘 “電子隧道”。,隧 道 效 應(yīng),4. 真空不空 狄拉克指出：根據(jù)“測不準原理”, 在極 短的瞬間, 真空中處于負能量狀態(tài)的電子 可以從某處 “借來” 能量, 變?yōu)檎芰康碾?子,即電子與正電子成對產(chǎn)生;然而,“借來” 的能量必須立刻償還，正電子必須還掉入 負能量狀態(tài)，即電子與正電子成對湮滅。 量子力學(xué)描繪的真空： 物質(zhì)不斷地產(chǎn)生和湮滅；能量不斷漲落 起伏的“狄拉克海洋”。,能量不斷漲落起伏的“狄拉克海洋”,四、物質(zhì)宇宙的一些基本特征 1 . 宇宙大尺度系統(tǒng)性特征 天體的譜線紅移 哈勃定律：隨著時間的推移，所有 河外天體（星系）光譜都向紅外方向移 動，并且紅移量與距離成正比。 宇宙微波背景輻射： K=2.7k 宇宙同此涼熱!,天體的譜線紅移,天體的譜線紅移,天 體 的 譜 線 紅 移,天 體 的 譜 線 紅 移,哈 勃 定 律,|,星系是宇宙的基本單元，宇宙宏觀 形態(tài)呈泡沫空心狀結(jié)構(gòu)。 天體時標：所有觀測到天體的年齡 都小于150億光年。 He豐度：宇宙基本化學(xué)元素由氫和 氦構(gòu)成。其中: H：75； He：25。 或 He原子 H原子1 12,2微觀物質(zhì)世界的基本特征 基本粒子家族的成員 構(gòu)成普通物質(zhì)（正物質(zhì)）的12種粒子,基本粒子家族,基本粒子家族和希格斯子,12 種 基 本 粒 子,最基本層次上統(tǒng)治宇宙的五大角色： 上夸克 u(+2/3) 質(zhì)子：2u+d(+1) 下夸克 d(-1/3) 中子：u+2d(0) 電子（-1） 中微子 (0) 光子,日本神岡中微子探測裝置,震蕩的中微子,宇宙物質(zhì)作用4種基本力 強力（核力） 作用范圍：原子核半徑 宇宙中最強大的力（束縛強子）！ 電磁力 作用范圍：無限 宇宙中第二強大的力，為強力的1/137 正負相吸，陰陽生萬物！,強力被電磁力封閉,（電）弱力 作用范圍：原子核半徑 強度為強力的10-5 可使中子衰變?yōu)橘|(zhì)子 引力（重力） 作用范圍：無限 強度最弱，僅為強力的10-39 -但引力可以多勝少，最終統(tǒng)治宇宙！,弱 電 統(tǒng) 一 理 論, 宇宙4種基本力的傳遞粒子 強力膠子 電磁力光子 （電）弱力中間玻色子 引力（重力）引力子（重力子） 膠子、光子、中間玻色子已被測到！,夸 克 囚 禁,3.宇宙物質(zhì)基本形態(tài) 正物質(zhì): 固態(tài) 液態(tài) 氣態(tài) 等離子態(tài) 場 中子態(tài)（超固態(tài)） 夸克態(tài) (奇異暗物質(zhì)：黑洞） 反物質(zhì),太空中最奇特物體和現(xiàn)象,第二節(jié) 大爆炸宇宙學(xué),盤古開天地,第二節(jié) 大爆炸宇宙學(xué) 一、大爆炸學(xué)說思想體系的形成 1915 愛因斯坦: 廣義相對論 引力場方程 “有限無界”宇宙概念 1922 弗里德曼: “宇宙蛋” 1927 勒梅特: 宇宙早期“初生原子” 1929 哈勃: 發(fā)現(xiàn)“紅移定律”與宇宙膨脹 19481952 伽莫夫: 提出理論， 預(yù)言：早期元素核合成豐度 宇宙微波背景輻射 1981 古斯: 暴漲模型 1985 霍金: 量子宇宙創(chuàng)生與黑洞,史 蒂 芬 霍 金,教皇向霍金致敬,二、宇宙最早期演化（最初三分鐘） 大爆炸：宇宙起源的事件，約在150億 年前,宇宙由極其高熱、極其高密度的奇點 處爆發(fā)產(chǎn)生。宇宙的時間、空間和質(zhì)量均 從虛無的真空中產(chǎn)生。 0. 宇宙創(chuàng)生的量子背景 10-3510-44秒 普朗克時間 普朗克時代 10-32厘米 普朗克長度（大統(tǒng)一時代）1094克/厘米3 普朗克密度,大統(tǒng)一：四種宇宙基本力統(tǒng)一為 一種，稱量子引力。 宇宙的量子創(chuàng)生：宇宙由奇點處誕生于真空的“狄拉克海洋”。 時間 奇點 空間 宇宙時空管 物質(zhì),宇 宙 時 空 管,霍金和“零”的振動,宇 宙 的 量 子 創(chuàng) 生 和 并 列 宇 宙,時間的起點,1強子時代（10-35秒-1秒） 基本粒子誕生：夸克、電子、 中微子、光子 -五大角色出場！ 夸克囚禁：質(zhì)子、中子產(chǎn)生（1015K）,2輕子時代（1秒-3分鐘） 中微子脫耦（1秒，1011K） 宇宙對其透明 中子凍結(jié) n/p=1/6.5 原初核核合成 質(zhì)子、中子合成輕原子核 H、He、Li:宇宙物質(zhì)演化單調(diào)的開始！,原初核核合成: . 氕核 : p . 氘核: n+p D+ . 氚核: D+n 3H 壽命17.7年 3He . 氦3核: D+D 3He + n 3He + p . 氦4核: 3He +D 4He + n 3He +D 4He + p 氦豐度: 4He = 1/4 (核%) ; 25%氦,. 氦5核: 4He +n 52He 半衰期為 鋰5核: 4He +p 53Li 10 -21秒 - 氦溝！- . Li 7核： 宇宙溫度降到1010 K108K , 只允許合成極少量 7Li 3 He +4He 7Li + 3He +4He 7Be + 7Be +e 7Li + 宇宙第一次物質(zhì)起源合成四種輕核: D 3He 4He 7Li,3.輻射時代（3分鐘-30萬年） 光子脫耦 宇宙的第一縷光芒 宇宙微波背景輻射 原始火爐的余溫 現(xiàn)在2.7K!,4.原子時代（30萬年-100萬年） 中性原子H、He形成（1000K） 原始彌漫星云 5.引力時代 最初10億年：古老星系、恒星形成 目前可探測星系（類星體）130 億光年,宇宙的早期演化與時空管,宇宙的誕生和演化,溫度,年代,宇宙編年表,三、大爆炸宇宙學(xué)的證據(jù) 1. 目前發(fā)現(xiàn)天體年齡時限130億年 2. 河外天體譜線紅移宇宙膨脹 3. 宇宙微波背景輻射 4. 最初三分鐘原初核核合成理論的驗證： 1/4的氦豐度 四種輕核豐度的預(yù)測與實際檢驗 5. 現(xiàn)代基本粒子物理學(xué)研究 基本粒子家族：大爆炸理論預(yù)測 只有三族;與發(fā)現(xiàn)相符合 夸克-膠子、等離子體的獲得,：宇宙微波背景輻射,宇宙的溫度,宇宙微波背景輻射,宇 宙 童 年 的 快 照,星 系 祖 母,四 種 輕 核 核 合 成 豐 度 預(yù) 測 與 驗 證,三 種 中 微 子 的 預(yù) 測 與 觀 測 驗 證,宇 宙 早 期 基 本 粒 子 的 產(chǎn) 生,再現(xiàn)大爆炸,原始湯- 在高溫高壓下物質(zhì) 破裂成夸克膠子 等離子體子。 物理學(xué)家們認為 宇宙大爆炸之初 物質(zhì)就處于這種狀態(tài)。,第三節(jié) 宇宙未來命運和 暗物質(zhì)、反物質(zhì) 一、宇宙未來與弗里德曼宇宙模型 1. 弗里德曼宇宙模型 開放的宇宙 1 三個解 平直的宇宙 1 閉合的宇宙 1 宇宙的物質(zhì)總量 宇宙坍縮的臨界質(zhì)量,弗 里 德 曼 宇 宙 模 型,宇 宙 膨 脹 與 生 命 演 化,2宇宙未來的命運 大坍縮（大擠壓）閉合的宇宙 熱寂平直的、開放的宇宙 熱寂宇宙的結(jié)局：質(zhì)子衰變?yōu)檎娮樱?宇宙最終變成大的無法想象的輕子薄云 電子和正電子、光子、中微子。 質(zhì)子的壽命：1031年 (1000萬億億億年), 相當(dāng)目前宇宙年齡的7 1022倍！,宇宙的三種未來：開放、平坦、閉合